材料物理基础第一节课

1、材料物理,袁国亮,第一讲 绪论,1.1材料物理学的定义,1.3材料物理学的研究范围,1.2材料物理学的特点,1.4材料物理学的研究手段,材料物理,材料物理是研究物质的微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成分以及它们之间相互关系的学科。,材料物理是物理学和材料学之间的交叉学科。,1.1材料物理学的定义,它旨在利用物理中的一些学科的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。,材料性能,物理学模型,物理学概念、原理等,物理科学,材料科学,材料物理,1.1材料物理学的定义,从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发，并建立相应的物理模型，力图阐述材料本身的结构、性质和它们在各种外界条件下发生的

2、变化及其变化规律，得出结论，进而指导材料的生产和科学研究。,能源材料,金属材料,无机非金属材料,光电材料,有机高分子材料,智能材料,生物材料,生态环境材料,复合材料,单晶,多晶,非晶,准晶,液晶,建筑材料,航空航天材料,结构材料,功能材料,信息材料,1.1材料物理学的定义,材料种类繁多,传感器件,半导体芯片,半导体技术,液晶材料,光学材料,金属材料,磁性材料,拍照功能,显示功能,金属外壳,信号接受,对话功能,电子线路,照片存储,功能材料,介电材料,1.1材料物理学的定义,材料无处不在,“新材料”与“高技术”。,所谓“新材料”，就是那些新出现或已在发展中的，在成分、组织、结构、形态等方面不同于普

3、通材料，具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。,所谓“高技术”，就是采用新材料、新工艺，产生更高效益，能促进人类社会更快进步的技术。,高技术引入大量新材料，二者相辅相成。其中一个最突出的例子是：半导体材料及大规模集成电路技术的不断突破，使电子计算机的体积越来越小，能力却成千上万倍地提高。,1.1.1材料是社会进步的物质基础与先导。,人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分 ， 如石器时代、青铜器时代、铁器(钢铁)时代等等。,目前人类正进人信息社会，材料、能源和信息技 术是当前国际公认的新技术革命的二大支柱。,1.1材料物理学的定义,材料科学的形成是金属材料、无机非金属材料、有机高分子材

4、料各学科发展过程的殊途同归。也就是说，构成工程材料的结构材料和功能材料有着共同的学科基础，这个学科就是材料科学。显然，材料科学已成为一门独立的学科以及各组成学科的聚集体。,材料种类类型、材料加工工艺以及各种材料之间相互有机联系而形成的材料科学，就广义而言，三者构成了材料学。,1.1.2材料的分类,材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶,材料则可分为无机材料与有机材料。,材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。,材料可分为结构材料和功能材料。,按状态分，,从化学的角度，,从应用来看，,根据材料的用途，,1.1材料物理学的定义,材料有共通性,制备、使用过程中现象、概念、转

5、变相似。,结构、缺陷行为,平衡热力学,扩散、界面结构与行为,材料相变机理,电子迁移及电性能,从物理学的角度，从微观的角度来阐述材料中的种种规律是很重要的。,1.1材料物理学的定义,1.1.3 什么是材料工程？,1.1材料物理学的定义,材料工程更注重实际，主要论及材料的加工工艺。目前，它已变成一门极复杂的技艺,材料物理和材料科学的关系,3.材料物理的基本研究指导材料的生产应用。,1.2材料物理学的特点,1.息息相关、相互促进和共同发展,2.材料物理研究课题来源于材料、对象也是材料，都是生产、科研中提出来的新问题。,一方面，材料物理所研究的一些主要课题往往是从生产实践中提出来的,举例1：,金属材料

6、：强度、范性,低维材料，薄膜材料（2维）、纳米线（1维）纳米点（0维），尺寸效应。,陶瓷：烧结体，烧结技术，微结构,1.2材料物理学的特点,由于工艺上的突破并实现连续生产的“金属玻璃”，因而金属玻璃的力学性质、磁性、超导电性等实际问题的研究也就随之提出；,由于电子技术、激光、红外技术的需要，研究电介质材料就由研究绝缘体的四大参数逐步扩展到研究物质的电极化过程；,为了发展耐高温的材料，推动了对于金属或陶瓷的高温强度、高温蠕变、氧化及扩散的研究等等。,举例2：,另一方面，将材料物理的基本研究成果应用到生产实践中去，也会发挥很大的作用,再结晶结构的研究显著地改进了硅钢片的质量,利用非晶硒的光导特性的

7、研究成果，发展了新的静电复印技术；,集成铁电学的研究，促进了铁电存储器的实际应用开发。,举例：,材料科学的研究导致新的物理学现象,研究材料的性质在各种外界条件（力、热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等）下发生的变化。发现到新的物理现象和效应、规律、形成新的概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。,材料物理是物理和材料的交叉学科,1.2材料物理学的特点,材料物理是介于物理学与材料学之间的一门边缘学科，它的基础牵涉到许多不同的学科，诸如晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能，以及物理学中的一些分支（热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学）等。,就是说，它是利用了这

8、些学科的成果，形成了以诸种材料为对象的一门独立的综合性的物理学科。,晶体学揭示材料的微观组织结构,材料科学有助于研究材料的内在联系,1.2材料物理学的特点,量子力学、统计物理及弹性力学方法帮助我们理解材料中的电子、原子以及各种晶体缺陷的运动规律和它们之间的交互作用；,固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的基础知识。,1.2材料物理学的特点,热力学、物理化学、材料力学、材料物理性能可以用来阐明材料一些宏观的规律和材料特性。,好的试验结果要有好的理论来解释。一个试验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。,为什么？,是什么？,材料学,物理学,金属物理学，半导体物理学、电介质物理

9、学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。,材料物理的范围,1.3材料物理学的研究范围,每一个材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支,材料物理是物理研究中的重要领域。比如超导体、半导体、永磁材料。也是物理中发展最快的领域。,1.3材料物理学的研究范围,1.4 材料物理和物理学的实验测试技术,X射线技术XRD,扫描电镜SEM,透视电镜TEM,高分辨率透视电镜HREM,场离子显微镜FIM,远红外光谱IR,核磁共振NMR,电子顺磁共振谱 ESR,X光荧光谱XPS,拉曼光谱Raman,1.4材料物理学的研究手段,扫描探针显微镜SPM,材料物理作为物理学的一个分支，其发展与物理

10、学的实验技术和基本理论的进展密切相关。物理学的新技术和新理论，将会极大地促进材料物理领域的发展。,在实验技术上，XRD、SEM、TEM、HREM、FIM、XPS、IR、Raman光谱、ESR、NMR等现代测试方法的应用，为材料研究开辟了新天地。,在理论方面，量子力学在材料物理理论中所起的促进作用是人所共知的。,回顾材料发展和材料研究的历史，尤其是20世纪乃至最近二三十年出现的材料（市场已出现的材料，或通过专利、论文和材料会议报道即将问世的材料），以及材料科学研究成果，可以归纳、总结出材料学与物理学是有密切联系的。 因此，从物理学的角度说明材料，即形成材料物理学科，显然是顺理成章的。,材料物理作

11、为一门学科，其中的一个基本任务是关注新材料、高技术的发展，以力图从其中总结归纳出新的物理现象、效应、模型或图像。同时，材料物理本身也在不断发展中，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、高分子物理、薄膜物理等等，其研究成果往往会揭示出一些新的物理概念和规律。,上述这些意味着在应用、开发上蕴藏着巨大的潜力，如研制出新材料、新的元件或器件；或有可能开辟出新的技术领域。从这个意义上看，材料物理将为研制高技术材料打下牢固的物理基础。,主要介绍金属结构理论、缺陷物理、材料强化、导电物理基础、材料的介电行为、铁电物理、磁性物理、材料的相变、非晶态物理、高分子物理和低维材料结构。,材料物理课的主要内容,推荐教材